mitkä ovat Newtonin liikelait?

1. levossa oleva kappale pysyy levossa, ja liikkeessä oleva kappale pysyy liikkeessä vakionopeudella ja suorassa linjassa, ellei siihen vaikuta epätasapainoinen voima.
2. kappaleen kiihtyvyys riippuu kappaleen massasta ja siihen kohdistuvan voiman määrästä.
3. aina kun yksi kappale kohdistaa voiman toiseen kappaleeseen, toinen kappale kohdistuu yhtä suureen ja vastakkaiseen ensimmäiseen.

Sir Isaac Newton työskenteli monilla matematiikan ja fysiikan aloilla. Hän kehitti gravitaatioteoriat vuonna 1666 ollessaan vain 23-vuotias. Vuonna 1686 hän esitti kolme liikelakia teoksessaan ”Principia Mathematica Philosophiae Naturalis.”

kehittämällä kolme liikelakiaan Newton mullisti tieteen. Newtonin lait yhdessä Keplerin lakien kanssa selittivät, miksi planeetat liikkuvat elliptisillä radoilla eivätkä ympyröissä.

alla on lyhytelokuva, jossa esiintyvät Orville ja Wilbur Wright sekä keskustelu siitä, miten Newtonin liikelait soveltuivat heidän koneensa lentoon.

Newtonin ensimmäinen laki: Inertia

levossa oleva kappale pysyy levossa, ja liikkeessä oleva kappale pysyy liikkeessä vakionopeudella ja suoralla, ellei siihen vaikuta epätasapainoinen voima.

Newtonin ensimmäisen lain mukaan jokainen kappale pysyy levossa tai yhtenäisessä liikkeessä suoralla, ellei sen ole pakko muuttaa tilaansa ulkoisen voiman vaikutuksesta. Tämä taipumus vastustaa muutoksia liiketilassa on inertia. Kappaleeseen ei kohdistu nettovoimaa (jos kaikki ulkoiset voimat kumoavat toisensa). Silloin kappale pysyy vakionopeudessa. Jos nopeus on nolla, kappale pysyy levossa. Jos jokin ulkoinen voima vaikuttaa kappaleeseen, nopeus muuttuu voiman vaikutuksesta.

esimerkkejä aerodynamiikkaan liittyvästä inertiasta:

• lentokoneen liike, kun lentäjä muuttaa moottorin kaasuläppäasetusta.
• ilmakehän läpi putoavan pallon liike.
• ilmakehään laukaistava pienoisraketti.
• leijan liike, kun tuuli muuttuu.

Newtonin toinen laki: voima

kappaleen kiihtyvyys riippuu kappaleen massasta ja siihen kohdistuvan voiman määrästä.

hänen toinen lakinsa määrittelee voiman olevan yhtä suuri kuin liikemäärän muutos (massa kertaa nopeus) ajan muutosta kohti. Liikemäärä määritellään kappaleen massaksi m kertaa sen nopeus V.

olettakaamme, että meillä on Lentokone pisteessä ”0”, joka on määritelty sen sijainnin X0 ja ajan t0 mukaan. Lentokoneen massa on m0 ja se kulkee nopeudella V0. Edellä esitetty ulkoinen voima F siirtää koneen pisteeseen ”1”. Koneen uusi sijainti on X1 ja aika t1.

lentokoneen massa ja nopeus muuttuvat lennon aikana arvoihin m1 ja V1. Newtonin toinen laki voi auttaa määrittämään V1: n ja m1: n uudet arvot, jos tiedämme, kuinka suuri voima F on. Otetaanpa ero pisteen ”1” ja pisteen ”0”ehtojen välillä.

F = (m1 * V1 – m0 * V0) / (t1 – t0)

Newtonin toinen laki puhuu liikemäärän muutoksista (m * V), joten tässä vaiheessa ei voida erottaa, kuinka paljon massa muuttui ja kuinka paljon nopeus muuttui. Tiedämme vain, kuinka paljon tuote (m * V) muuttui.

oletetaan, että massa pysyy vakioarvona, joka on yhtä suuri kuin m. tämä oletus on melko hyvä lentokoneelle, ainoa massan muutos olisi polttoaineen palaminen pisteiden ”1” ja ”0”välillä. Polttoaineen paino on todennäköisesti pieni suhteessa muun lentokoneen painoon, varsinkin jos katsomme vain pieniä muutoksia ajassa. Jos puhuttiin pesäpallon lennosta, niin varmasti massa pysyy vakiona. Mutta jos puhuisimme pulloraketin lennosta, niin massa ei pysy vakiona ja voimme vain tarkastella liikemäärän muutoksia. Vakiomassalle m Newtonin toinen laki näyttää:

F = m * (V1 – V0) / (t1 – t0)

nopeuden muutos jaettuna ajan muutoksella on kiihtyvyyden a määritelmä. Toinen laki pelkistyy sitten tutummaksi massan ja kiihtyvyyden tuloksi:

F = m * a

muista, että tämä suhde on hyvä vain kappaleille, joiden massa on vakio. Tämä yhtälö kertoo, että ulkoisen voiman kohteeksi joutunut kappale kiihtyy ja että kiihtyvyyden määrä on verrannollinen voiman kokoon. Kiihtyvyyden määrä on myös kääntäen verrannollinen kappaleen massaan; yhtä suurilla voimilla raskaampi kappale kokee vähemmän kiihtyvyyttä kuin kevyempi kappale. Kun otetaan huomioon momenttiyhtälö, voima aiheuttaa nopeuden muutoksen, ja vastaavasti nopeuden muutos synnyttää voiman. Yhtälö toimii molempiin suuntiin.

nopeudella, voimalla, kiihtyvyydellä ja liikemäärällä on sekä magnitudi että suunta, jotka liittyvät niihin. Tutkijat ja matemaatikot kutsuvat tätä vektorisuureeksi. Tässä esitetyt yhtälöt ovat itse asiassa vektoriyhtälöitä ja niitä voidaan soveltaa jokaiseen komponenttisuuntaan. Olemme katsoneet vain yhteen suuntaan, ja yleensä esine liikkuu kaikkiin kolmeen suuntaan (ylös-alas, Vasen-oikea, Eteen-Taakse).

esimerkki voimasta, johon liittyy aerodynamiikkaa:

• lentokoneen liike, joka johtuu aerodynaamisista voimista, lentokoneen painosta ja työntövoimasta.

Newtonin kolmas laki: toiminta & reaktio

aina kun yksi kappale kohdistaa voiman toiseen kappaleeseen, toinen kappale kohdistaa yhtä suuren ja vastakkaisen voiman ensimmäiseen.

hänen kolmannen lakinsa mukaan jokaiselle luonnossa esiintyvälle teolle (voimalle) on yhtäläinen ja vastakkainen reaktio. Jos objekti A kohdistaa voiman objektiin B, objekti B myös kohdistaa yhtä suuren ja vastakkaisen voiman objektiin A. Toisin sanoen voimat johtuvat vuorovaikutuksesta.

esimerkkejä aerodynamiikkaan liittyvistä toiminta-ja reaktioista:

• nostoliikkeen vaikutuksesta ilma painuu alaspäin, ja reaktiossa siipi työntyy ylöspäin.
• pyörivän pallon liike, ilma taipuu toiselle puolelle, ja pallo reagoi liikkumalla vastakkaiseen suuntaan
• suihkumoottorin liike tuottaa työntövoiman ja kuumat pakokaasut virtaavat ulos moottorin takaosasta, ja työntövoima syntyy vastakkaiseen suuntaan.

Review Newtonin liikelait

1. Newtonin ensimmäinen Liikelaki (Inertia)	levossa oleva kappale pysyy levossa, ja liikkeessä oleva kappale pysyy liikkeessä vakionopeudella ja suoralla, ellei siihen vaikuta epätasapainoinen voima.
2. Newtonin toinen Liikelaki (voima)	kappaleen kiihtyvyys riippuu kappaleen massasta ja käytettävän voiman määrästä.
3. Newtonin kolmas Liikelaki (toiminta & reaktio)	aina kun yksi kappale kohdistaa voiman toiseen kappaleeseen, toinen kappale vaikuttaa yhtä suureen ja vastakkaiseen ensimmäiseen.